通信技术卫星二号锂离子蓄电池组的特性和应用研究

邵爱芬，王振波，王 琳，李国瑞，任杰伟



通信技术卫星二号锂离子蓄电池组的特性和应用研究

邵爱芬1，王振波2，王 琳1，李国瑞1，任杰伟1

（1上海空间电源研究所，上海 200245；2哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

通信技术卫星二号锂离子蓄电池组是我所自主研制的锂离子蓄电池组首次在GEO卫星上应用。卫星对蓄电池组提出了长寿命和高可靠性的技术要求，通过研究分析提出了合理的在轨管理策略和故障隔离技术以满足总体技术要求。同时介绍了通信技术卫星二号锂离子蓄电池组的设计、地面性能测试与考核以及在轨运行验证情况。在轨运行期间，锂离子蓄电池组性能优异，各单体电池之间保持良好的一致性；在轨管理策略合理。遥测数据表明：锂离子蓄电池组在轨运行良好，充分验证了地面设计，为锂离子蓄电池组后续在GEO卫星上的大量应用打下了良好的基础。

锂离子蓄电池组；GEO卫星；性能测试；在轨管理；在轨运行

锂离子蓄电池自20世纪90年代问世以来，经过近20年的飞速发展，技术已经相对比较成熟。与传统的铅酸蓄电池、镉镍电池和氢镍电池相比，锂离子蓄电池具有高的比能量、高的工作电压、应用范围宽和自放电率低等诸多优点[1]，因此已成为继镉镍电池、氢镍电池之后的第三代空间储能电源。国际上从1995年起开始航天飞行器用锂离子蓄电池的研制，2000年11月英国首先在STRV-1d小型卫星上采用锂离子蓄电池作为储能电源[2]。经过十几年的研究，到2016 年末，国际上共有几百颗卫星采用锂离子蓄电池作为航天飞行器储能电源，研究机构主要有美国的Eagle-Picher、Yardney、Quallion，法国Saft、日本GS、JAXA，俄罗斯的土星公司等。其中，法国Saft公司已经有227颗采用其锂离子蓄电池组的卫星发射，138颗为GEO卫星。

上海空间电源研究所在20世纪90年代末期着手空间用锂离子蓄电池的研制。2008年9月，我所研制的锂离子蓄电池组搭载SZ-7飞船伴星成功发射，标志着锂离子蓄电池在国内首次实现在轨应用。截止2017年4月，上海空间电源研究所空间用锂离子蓄电池组在轨型号共有32颗，其中大多数为LEO飞行器。通信技术卫星二号是我国最早采用锂离子蓄电池组作为储能电源的GEO卫星之一，对蓄电池组提出了长寿命、高可靠性的技术要求。本文针对蓄电池组长寿命、高可靠性的技术要求，提出在轨管理策略和故障隔离技术的解决方案并阐述了蓄电池组地面验证和在轨运行验证情况。

1 在轨管理策略

通信技术卫星二号对锂离子蓄电池组提出了在轨寿命8年的长寿命要求，与LEO卫星锂离子蓄电池组2～3年的寿命要求相比有了明显的提高。锂离子蓄电池组的寿命由存储寿命和循环寿命[3]两部分组成。影响存储寿命的因素包括蓄电池搁置的荷电态以及搁置温度[4-5]，而影响循环寿命的因素主要为充电终止电压、放电深度、放电倍率和工作温度 等[6-7]。根据GEO卫星锂离子蓄电池组每年进行92天充放电循环，其余273天时间处于长光照期存储的特点，结合蓄电池组寿命影响因素，制定了锂离子蓄电池组在轨管理策略。如下。

（1）长光照存储期管理 蓄电池组应以36 V（相当于单体电压4.0 V）对应的荷电态存储，存储温度应控制在-5～10 ℃；当蓄电池组电压下降至34.2 V（相当于单体电压3.8 V）时通过电源控制器采用小电流对蓄电池组进行补充充电至存储荷电态。

（2）进入地影期前15天管理 通过卫星热控分系统，逐渐提高蓄电池组的温度至最佳工作温度范围内（20±3）℃；蓄电池组单体均衡使能；待温度提高到蓄电池组最佳工作温度范围内，通过电源分系统以一定充电电流为蓄电池组充电到地影期充电终压（EOCV）。

蓄电池组地影期工作的充电终压在初期为36.0 V（相当于单体4.0 V），若放电过程中蓄电池单体放电终压低于3.3 V后，提高蓄电池组充电终压电压至36.45 V（相当于单体4.05 V），每次提高0.45 V，依次类推，但蓄电池组充电终压最高不能超过38.25 V（相当于单体电压4.25 V）。

（3）地影期充放电管理 在春（秋）分前后，高轨卫星进入地影期。通过卫星热控分系统的控制和管理，锂离子蓄电池组维持在最佳温度范围内。在阴影时间内，锂离子蓄电池组通过电源控制器为整星供电；充电终压如上段所描述。

2 故障隔离技术

锂离子蓄电池组是整星的储能电源，地影期其是整个卫星的唯一能量来源，因此，卫星用锂离子蓄电池组必须具有高可靠性。为避免电池开路、短路故障以及突然的波动对整个电源系统带来破坏性的影响，实现在轨故障的有效隔离，在蓄电池组中安装By-pass旁路开关。By-pass旁路开关串接在上下两个蓄电池并联块之间，当发现图1中并联块2需要切除时，通过火工品母线和相关允许指令使得By-pass旁路开关中的熔断器熔断，释放连接压紧装置，改变连接方式。By-pass的熔断电流回路则通过蓄电池组中相应的电连接器实现。

图1 锂离子蓄电池组By-pass旁路开关工作原理图

结构上，锂离子蓄电池组以2个单体电池为一列，共14列。纵向由左右壁板通过6根钛合金拉杆紧固。每个单体蓄电池之间用一块L型导热板作为传热通道，每两列蓄电池单体固定在一根压条上，通过左右壁板和压条上的安装孔将电池组紧固在安装面上，确保结构块的横向和纵向的机械强度。Bypass旁路开关通过固定在左右壁板上的3根支架安装在蓄电池组上方。蓄电池组示意图如图2所示。

图2 锂离子蓄电池组示意图

3 锂离子蓄电池组特性验证

通信技术卫星二号采用42 V母线。卫星设置两组锂离子蓄电池组，每组蓄电池组由27个额定容量为30 A·h锂离子蓄电池单体（ICP30）通过3并9串组成。电池组的主要设计参数如表1所示。通信技术卫星二号锂离子蓄电池组额定容量90 A·h，初期容量不少于99 A·h。寿命末期（考虑一节电池失效）的最大放电深度不超过80%，满足卫星在轨8年以上的寿命要求。

3.1 蓄电池组功率放电特性

在（20±5）℃环境温度下，采用恒流转恒压的方式，用0.2 C电流将锂离子蓄电池组充满电后，静止30 min，然后对蓄电池组进行1500 W的恒功率放电72 min。蓄电池组充放电过程中电压和电流放电曲线如图3所示。从图3中可以看出，蓄电池组表现出优异的放电性能，72 min放电后蓄电池组放电终止电压保持在33.7 V左右；两组蓄电池组放电性能具有高度的一致性。功率放电过程中蓄电池组中并联块电压曲线如图4所示。从图中可看出，两组蓄电池组在充放电过程中各单体电压曲线吻合良好，说明蓄电池组中9个并联块具有良好的一 致性。

表1 通信技术卫星二号锂离子蓄电池组主要设计参数

图3 蓄电池组功率放电过程中电压和电流变化曲线

3.2 蓄电池组抗力学环境特性

在通信技术卫星二号的研制过程中，对锂离子蓄电池组进行了鉴定级的力学环境考核，考核项目包括应力筛选试验、加速度试验、冲击试验、正弦振动和随机振动试验。考核结果表明，在试验过程中蓄电池组电性能输出稳定，工作电压和工作电流变化平稳，无间隙断电、输出信号不稳定和短路现象发生；试验后蓄电池组结构无损伤。

图5是通信技术卫星二号锂离子蓄电池组在正弦试验过程中的放电曲线。通信技术卫星二号正样锂离子蓄电池组进行了应力筛选和验收级正弦振动试验的考核。考核结果表明，锂离子蓄电池组在力学试验过程中，电池放电电压无跳变；试验后电池组结构无损伤。

3.3 蓄电池组热真空试验

通信技术卫星二号正样锂离子蓄电池组按照验收级试验条件进行热真空试验考核。蓄电池组在热真空试验过程的首次和末次循环均进行72 min功率放电。图6是蓄电池组热真空试验过程中的曲线。可以看出，热真空试验过程中，蓄电池组电压和电流变化平稳，蓄电池组性能正常。

3.4 蓄电池组磁特性

对锂离子蓄电池组进行剩磁测试试验，表2是蓄电池组剩磁测试的结果。结果表明：通信技术卫星二号锂离子蓄电池组在静态、5 A充电态和46 A放电态下的剩磁矩均满足总体的技术要求。

表2 锂离子蓄电池组剩磁矩测试结果

4 蓄电池组在轨运行验证情况

2017年1月通信技术卫星二号成功发射，通信技术卫星二号锂离子蓄电池组经历了发射段、主动段、转移轨道段和同步轨道段长光照期以及地影期的工作阶段。对蓄电池组功率放电特性、力学环境特性等进行了充分验证。目前，卫星能源情况能够满足用户业务需求，近6个月的数据监测表明蓄电池组工作稳定。

4.1 蓄电池组主动段工作情况

在主动段，锂离子蓄电池组处于放电工作状态，整流罩抛罩后，南太阳电池阵外板受照，此时，太阳电池阵除供负载外，有多余的能量为蓄电池组充电。整个主动段蓄电池组A放电容量1.44 A·h，蓄电池组B放电容量1.42 A·h。两组蓄电池组主动段充放电曲线如图7所示。从图中可以看出两组蓄电池组充放电曲线稳定、平滑。

图7 蓄电池组充放电曲线

Fig 7 Charge and discharge curves of Battery

在整个主动段，蓄电池组温度为18.91～20.08 ℃，温度变化曲线如图8所示。从图中可以看出主动段两组蓄电池组温度具有良好的一致性，两组蓄电池组温度差异以及同一蓄电池组中不同采样点间差异保持在1℃之内。

图8 主动段蓄电池组温度变化

4.2 蓄电池组转移轨道段工作情况

通信技术卫星二号采用多次在远地点点火变轨，变轨结束后卫星以一定速率向定点位置漂移，最后定点于地球静止轨道。在转移轨道段，锂离子蓄电池组从第1次点火到第5次点火完成工作均正常。卫星点火期间，太阳电池阵输出功率不足，蓄电池组处于联合供电状态，其中第4次点火放电电量最大，点火期间蓄电池组典型曲线如图9所示。第4次点火期间，A组蓄电池放电容量为6.00 A·h，放电深度为6.67%，B组蓄电池放电容量为5.92 A·h，放电深度为6.58%。点火结束后，卫星对日定向，两组锂离子蓄电池组充足电。

图9 第4次点火期间蓄电池组充放电曲线

卫星点火期间，锂离子蓄电池组温度在设计范围内，两组蓄电池组温度范围为19.12～20.75 ℃。点火期间锂离子蓄电池组温度曲线如图10所示。从图中可以看出，点火期间蓄电池组的温度保持良好的稳定性和一致性。

4.3 蓄电池组同步轨道段工作情况

通信技术卫星二号锂离子蓄电池组按照所制定的在轨管理策略进行长光照存储期、进影前15天和地影期管理。

4.3.1 地影期工作情况

地影期间A/B蓄电池组电压曲线如图11所示。卫星进影前，对蓄电池进行升温、充电操作。卫星出影后，对蓄电池进行降温操作。通信技术卫星二号卫星从2017年2月28日到2017年4月15日经历了入轨后的第一个地影期。卫星地影期共47天，其中45天蓄电池组参与了放电。在整个地影管理期间，蓄电池组充放电工作正常。

图10 第4次点火期间锂离子蓄电池组温度曲线

图11 地影期A/B蓄电池组电压曲线图

2017年3月24日卫星地影时间为72 min，3月24日蓄电池组充放电曲线如图12所示。A、B组蓄电池放电容量分别为35.83 A·h、36.15 A·h，放电深度（DOD）分别为39.8%、40.2%。A组、B组蓄电池组放电终止电压分别为33.76 V、33.80 V，单体平均放电终压约3.75 V，保持在较高的电压值，与地面测试结果一致。蓄电池组中各并联块电压曲线如图13所示。从图中可以看出蓄电池组在地影期放电正常，曲线光滑无跳变；两组蓄电池组中9节并联块充放电曲线吻合性良好，说明蓄电池组中各并联块在轨期间保持良好的一致性。

4.3.2 光照期管理

卫星运行在光照期时，锂离子蓄电池组处于搁置状态。为了补偿BDR、均衡器采样电路以及电池组本身的自放电耗电，锂离子蓄电池组在长光照期需要补充充电，补充充电电流为5 A，补充充电阈值为34.20～36.0 V，即蓄电池组电压低于34.20 V进行补充充电，电池组电压达到36.0 V，充电完成。长光照期蓄电池组典型电压变化曲线如图14所示。从图中可以看出蓄电池组在长光照期存储，大约20天左右进行一次补充充电。

图13 2017年3月24日蓄电池组A/B各并联块电压曲线

图14 长光照期蓄电池组电压变化曲线

自卫星发射以来，蓄电池组各单体电池保持良好的一致性，没有进行过均衡处理。对蓄电池组每次补充充电之前单体电池电压和最大电压差异进行统计，以观察蓄电池组压差的变化趋势。具体如图15所示。

图15 补充充电前并联块最大电压差变化曲线

从图15可以看出，两组蓄电池组在4次补充充电前，单体最大压差在10 mV左右，保持在稳定的状态，没有离散。说明经过在轨半年蓄电池组中各并联块之间仍保持良好的一致性。

4.3.3 蓄电池组温度情况

光照期，A/B蓄电池组热控按2～8 ℃范围进行控制，在轨温度满足存储要求；地影期，A/B蓄电池组处于工作状态，按15～25 ℃范围进行热控控制，满足蓄电池组在轨工作要求。锂离子蓄电池组在轨半年的温度曲线如图16所示。

图16 A/B蓄电池组在轨半年温度曲线

蓄电池组在最长地影期放电过程中，蓄电池组温升很小，比正常温度升高约2 ℃（图17）。由于蓄电池组良好的导热性和散热设计，放电结束后温度很快降了下来。两组蓄电池组热敏电阻值最大差异和同一组蓄电池组中两个热敏电阻值最大差异保持在3 ℃左右，满足同一蓄电池组中单体电池温度差异在3 ℃以内，不同电池模块之间温度差异在 5 ℃之内的要求。

5 结 论

通信技术卫星二号卫星锂离子蓄电池组是上海空间电源研究所研究的空间用锂离子蓄电池组首次在GEO卫星上应用。锂离子蓄电池组性能优异，各单体电池之间保持良好的一致性；在轨管理策略合理。遥测数据表明，锂离子蓄电池组在轨运行良好，充分验证了地面设计。为锂离子蓄电池组后续在GEO卫星上的大量应用打下了良好的基础。

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Overview and preliminary in orbit behaviour of the lithium-ion batteries used onboard TX-2 satellite

SHAO Aifen1, WANG Zhenbo2, WANG Lin1, LI Guorui1, REN Jiewei1

(1Shanghai Institute of Space Power-Source , Shanghai 200245, China;2Harbin Institute of Technologe, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

TX-2 satellite Li-ion Battery produced by SISP was first applicated on GEO satellite. Technical requirements of Li-ion battery with long life and high reliability were put forward.In-orbit management policy and failure isolation technology were put forward to meet the technical requirement.Technical proposal, performance tests, and in-orbit behaviour of the Li-ion battery used onboard TX-2 satellite were introduced in this paper. During in-orbit operation，Li-ion batteries had good performance, good consistence between cell packages and valid in-orbit management policy. The in-orbit date indicated that the Li-ion battery used onboard TX-2 satellite had good in-orbit performances and the battery on ground design was fully valided. The success of launching and in-orbit operation of TX-2 satellite battery provides a foundation for widely using Li-ion battery onboard GEO satellites.

Li-ion battery; GEO satellite; performance tests; in-orbit management policy; in-orbitoperation

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0179

TQ 028.8

A

2095-4239（2018）02-0345-08

2017-12-17；

2018-01-15。

邵爱芬（1987—），女，硕士，工程师，主要研究方向为锂离子蓄电池，E-mail：yuhan_311@163.com；

王振波，教授，博士生导师，主要研究方向为化学电源，E-mail：wangzheb@hit.edu.cn。